化工原理第二版答案柴诚敬主编

1、1,从根本单位换算入手,将以下物理量的单位换算为 SI 单位.(1)水的黏度0.00856g/(cms)(2)密度年 138.6kgf?s2/m4(3)某物质的比热容 CP=0.24BTU/(lb 丁)(4)传质系数 KG=34.2kmol/(m2?h?atm)(5)外表张力声 74dyn/cm(6)导热系数入=1kcal/(m?h?C)解：此题为物理量的单位换算.(1)水的黏度根本物理量的换算关系为1kg=1000g,1m=100cm(2)密度根本物理量的换算关系为1kgf=9.81N,1N=1kg?m/s229.81N1kgms1kgf1N(3)从附录二查出有关根本物理量的换算关系为1BT

2、U=1.055kJ,lb=0.4536kg 那么(4)传质系数根本物理量的换算关系为1h=3600s,1atm=101.33kPa那么(5)外表张力根本物理量的换算关系为51dyn=110N1m=100cm那么(6)导热系数根本物理量的换算关系为1kcal=4.1868103J,1h=3600s那么2.乱堆 25cm 拉西环的填料塔用于精储操作时,等板高度可用下面经验公式计算,即式中 HE一等板高度,ft；G-气相质量速度,lb/(ft2?h);D塔径,ft;Z.一每段(即两层液体分布板之间)填料层高度,ft;l 相对挥发度,量纲为一；工一液相黏度,cP;P一液相密度,lb/ft3A、B、C

3、为常数,对 25mm 的拉西环,其数值分别为 0.57、-0.1 及 1.24.试将上面经验公式中各物理量的单位均换算为 SI 单位.0.00856g1kg100cm8.56cms1000g1m44104kgms8.56104Paskgfs138.6m1350kg.m3解：上面经验公式是混合单位制度,液体黏度为物理单位制,而其余诸物理量均为英制.经验公式单位换算的根本要点是：找出式中每个物理量新旧单位之间的换算关系,导出物理量“数字的表达式,然后代入经验公式并整理,以便使式中各符号都变为所希望的单位.具体换算过程如下：(1)从附录查出或计算出经验公式有关物理量新旧单位之间的关系为1lb/ft2

4、h1.356103kg/m2s(见1)a量纲为一,不必换算与1?1kg32803ft3=16.01kg/m2ftft32.2046lb1m同理GG1.356103737.5G(3)将以上关系式代原经验公式,得整理上式并略去符号的上标,便得到换算后的经验公式,即第一章流体流动流体的重要性质1.某气柜的容积为 6000m3,假设气柜内的表压力为 5.5kPa,温度为 40C.各组分气体的体积分数为：Ha40%、Nk20%、CO32%、CO7%、Chk1%,大气压力为 101.3kPa,试计算气柜满载时各组分的质量.pV101.35.51000.06000斛：气柜满载时各气体的总摩尔数ntmol24

5、6245.4molRT8.314313各组分的质量：2,假设将密度为 830kg/m3的油与密度为 710kg/m3的油各 60kg 混在一起,试求混合油的密度.设混合油为理想溶液.解：mtm1m26060kg120kg流体静力学3.甲地区的平均大气压力为 85.3kPa,乙地区的平均大气压力为 101.33kPa,在甲地区的某真空设备上装有一个真空表,其读数为 20kPa.假设改在乙地区操作,真空表的读数为多少才能维持该设备的的绝对压力与甲地区操作时相同？解：1设备内绝对压力33绝压=大气压-真空度=85.3102010Pa65.3kPa2真空表读数真空度=大气压-绝压=101.331036

6、5.3103Pa36.03kPa4,某储油罐中盛有密度为 960kg/m3的重油如附图所示,油面最高时离罐底 9.5m,油面上方与大气相通.在罐侧壁的下部有一直径为 760mm 的孔,其中央距罐底 1000mm,孔盖用 14mm 的钢制螺钉紧固.假设螺钉材料的工作压力为 39.5X106Pa,问至少需要几个螺钉大气压力为 101.3X103Pa?(2)将原符号加上以代表新单位的符号,导出原符号的“数字表达式.卜面以HE为例:HEHE?m3.2803ftE-ft3.2803HE解：由流体静力学方程,距罐底 1000mm 处的流体压力为作用在孔盖上的总力为每个螺钉所受力为因此5.如此题附图所示,流

7、化床反响器上装有两个 U 管压差计.读数分别为 R1=500mm,R2=80mm,指示液习题 4 附图习题 5 附图习题 6 附图为水银.为预防水银蒸气向空间扩散,于右侧的 U 管与大气连通的玻璃管内灌入一段水,其高度 R3=100mm.试求 A、B 两点的表压力.解：1A 点的压力PA水gRs汞gR210009.810.1136009.810.08Pa1.165104Pa表2B 点的压力6 .如此题附图所示,水在管道内流动.为测量流体压力,在管道某截面处连接 U 管压差计,指示液为水银,读数R=100mm,h=800mm.为预防水银扩散至空气中,在水银面上方充入少量水,其高度可以忽略不计.已

8、知当地大气压力为101.3kPa,试求管路中央处流体的压力.解：设管路中央处流体的压力为 p根据流体静力学根本方程式,pApA贝 Up+水gh+汞gRpa7.某工厂为了限制乙快发生炉内的压力不超过 13.3kPa表压,在炉外装一平安液封管又称水封装置,如此题附图所示.液封的作用是,当炉内压力超过规定值时,气体习题 7 附图便从液封管排出.试求此炉的平安液封管应插入槽内水面下的深度 ho解：水 gh13.3流体流动概述8.密度为 1800kg/m3的某液体经一内径为 60mm 的管道输送到某处,假设其平均流速为 0.8m/s,求该液体的体积流量m3/h、质量流量kg/s和质量通量kg/m2s.解

9、：支231423,31VhuAud20.83140.0623600m3s8.14m3h449 .在实验室中,用内径为 1.5cm 的玻璃管路输送 20C 的 70%醋酸.质量流量为 10kg/min.试分别用用 SI 和厘米克秒单位计算该流动的雷诺数,并指出流动型态.解：1用 SI 单位计算查附录 70%醋酸在 20C 时,1069kg/m3,2.50103PasUb10/60 氏 40.01521069m/s0.882m/sdub3Re0.0150.8821069/2.51035657故为湍流.2用物理单位计算d1.5cm,Ub88.2cm/s10 .有一装满水的储槽,直径 1.2m,高 3

10、m.现由槽底部的小孔向外排水.小孔的直径为 4cm,测得水流过小孔的平均流速 U0 与槽内水面高度 z 的关系为：试求算1放出 1m3水所需的时间设水的密度为 1000kg/m3;2又假设槽中装满煤油,其它条件不变,放出 1m3煤油所需时间有何变化设煤油密度为 800kg/m3?解：放出 1m3水后液面高度降至ZI,那么由质量守恒,得w2w1dM0,W10无水补充dMAZA 为储槽截面积故有0.62A02gz喈0即dz2gz上式积分得0.62.Ao-dA-=(-)(z02z12)0.62.,2gAo11.如此题附图所示,高位槽内的水位高于地面 7m,水从 6108mmx4mm 的管道中流出,管

11、路出口高于地面 1.5m.水流经系统的能量损失可按汇 hf=5.5u2计算,其中 u 为水在管内的平均流速m/s.设流动为稳态,试计算1A-A截面处水的平均流速；2水的流量m3/h.解：1A-A截面处水的平均流速在高位槽水面与管路出口截面之间列机械能衡算方程12PI12P2.g乙Ub1gz2Ub2hf22,得(1)式中 ZI=7m,Ub10,p1=0(表压)z2=1.5m,p2=0(表压),ub2=5.5u2代入式(1)得(2)水的流量(以 m3/h 计)12.20C 的水以 2.5m/s 的平均流速流经 638mmX2.5mm 的水平管,此管以锥形管与另一 653mmX3mm习题 11 附图

12、习题 12 附图的水平管相连.如此题附图所示,在锥形管两侧 A、B 处各插入一垂直玻璃管习题 13 附图以观察两截面的压力.假设水流经 A、B 两截面间的能量损失为 1.5J/kg,求两玻璃管的水面差以 mm 计,并在此题附图中画出两玻璃管中水面的相对位置.解：在 A、B 两截面之间列机械能衡算方程式中ZI=Z2=0,ub13.0m/s/hf=1.5J/kg故 Pip0.8669.81m0.0883m88.3mmg13.如此题附图所示,用泵 2 将储罐 1 中的有机混合液送至精微塔 3 的中部进行别离.储罐内液面维持恒定,其上方压力为 1.0133105Pa.流体密度为 800kg/m3.精储

13、塔进口处的塔内压力为 1.21105Pa,进料口高于储罐内的液面 8m,输送管道直径为 668mm4mm,进料量为 20m3/h.料液流经全部管道的能量损失为 70J/kg,求泵的有效功率.解：在截面A-A和截面B-B之间列柏努利方程式,得.dMW2du20.52hUb9.81ub0.692h与式5联立,得dh.5645d-h动量传递现象与管内流动阻力15 .某不可压缩流体在矩形截面的管道中作一维定态层流流动.设管道宽度为长度为 L,两端压力降为 p,试根据力的衡算导出1剪应力.随高度 y自中央至任意一点的距离变化的将牛顿黏性定律代入1得上式积分得1.211.01331051.9662We9.

14、88.070800Jkg2.461.9378.470Jkg175JkgNewsWe203600800173W768.9W14.此题附图所示的贮槽内径 D=2m,槽底与内径do为 32mm 的钢管相连,槽内无液体补充,其初始液面高度hi为 2m以管子中央线为基准.液体在管内流动时的全部能量损失可按汇 hf=20u2计算,式中的 u 为液体在管内的平均流速m/s.试求当槽内液面下降 1m时所需的时间.解: 由质量衡算方程,得习题 14 附图W1Wi0,W22dUb4(2)dMddhd(3)将式2),(3)代入式(1)得/D、2dh 八Ub()0dd(4)在贮槽液面与管出口截面之间列机械能衡算方程g

15、h2Ubhf2Ub万2220Ub20.5Ub或写成(5)i.c.0=0,h=hi=2m;9=0,h=1m积分得564521212s4676s1.3hb,高度 2y0,且 by0,流道关系式;解:2通道截面上的速度分布方程；3平均流速与最大流速的关系.1由于 by0,可近似认为两板无限宽,故有1pp2yby2bLL(1)再将式3写成y、2uumax1()y.根据现的定义,得16 .不可压缩流体在水平圆管中作一维定态轴向层流流动,试证实1与主体流速 u 相应的速度点出现在离管壁 0.293%处,其中 ri为管内半径；2剪应力沿径向为直线分布,且在管中央为零.解：(1)uumax1(-)22ub1(

16、Iru当 u=ub时,由式(1)得解得r0.707i由管壁面算起的距离为yrr.0.707r0.293.(2)由du对式(1)求导得dr故2umaxr4.r22rri(3)在管中央处,r=0,故 p=0.17.流体在圆管内作定态湍流时的速度分布可用如下的经验式表达试计算管内平均流速与最大流速之比 u/umax.解：u1Ruz2drTR2017r一umax2drRr1-V,那么rR(1y)R1R-,11172、,u-2uz2Reo,由教材查图 i-30 得 Co=0.626,查附录得 20c 甲苯的密度为 866kg/m3,黏度为 0.6Xi0-3Pas.甲苯在孔板处的流速为36008.24-0

17、.0i642kgh5427kgh4检 3叙Re 值,管内流速为原假定正确.非牛顿型流体的流动26.用泵将容器中的蜂蜜以 6.28xi0-3m3/s 流量送往路长包括局部阻力的当量长度为 20m,管径为 0.lm,0.5特性服从哥律005d殳,密度ki250kg/m3,求泵dy量J/kg.解：在截面 iiii 和截面 2222 之间列柏努利方程式,55公甲苯的流量为Vs3600UA习题 26 附图高位槽中,管蜂蜜的流动应提供的能得Pi1.013310Pa;P21.013310Pa;Z2乙 6.0m;U10;u20第二章流体输送机械1.用离心油泵将甲地油罐的油品送到乙地油罐.管路情况如此题附图所示

18、.启动泵之前 A、C 两压力表的读数相等.启动离心泵并将出口阀调至某开度时,输油量为 39m3/h,此时泵的压头为 38m.输油管内径为 100mm,摩擦系数为0.02;油品密度为 810kg/m3.试求1管路特性方程；2输油管线的总长度包括所有局部阻力当量长度.解：习题 1 附图甲、2-2,截面,之间列柏由于那么 HeBq2又HeH38mB38/(39)2h2/m5=2.59102h2/m5那么 He2.5102q2(qe的单位为 m3/h)(2)输油管线总长度u390.01m/s=1.38m/s3600.42gdH29.810.138十lled22m=1960mu20.021.3822 .

19、用离心泵转速为 2900r/min进行性能参数测定实验.在某流量下泵入口真空表和出口压力表的读数分别为 60kPa 和220kPa,两测压口之间垂直距离为 0.5m,泵的轴功率为 6.7kW.泵吸入管和排出管内径均为80mm,吸入管中流动阻力可表达为 hf013.0u12u1为吸入管内水的流速,m/s.离心泵的安装高度为 2.5m,实验是在 20C,98.1kPa 的条件下进行.试计算泵的流量、压头和效率.解：1泵的流量由水池液面和泵入口真空表所在截面之间列柏努利方程式池中水面为基准面,得到将有关数据代入上式并整理,得u13.184m/s那么q(j0.0823.1843600)m3/h=57.

20、61m3/h(2)泵的扬程(3)泵的效率Hqsg29.0457.6110009.81100%=68%1000P360010006.7在指定转速下,泵的性能参数为：q=57.61m3/hH=29.04mP=6.7kWr=68%3 .对于习题 2 的实验装置,假设分别改变如下参数,试求新操作条件下泵的流量、 压头和轴功率(假设泵的效率保持不变).(1)改送密度为 1220kg/m3的果汁(其他性质与水相近)；(2)泵的转速降至 2610r/min.1管路特性方程乙两地油罐液面分别取作 1-1与以水平管轴线为基准面,在两截面努利方程,得到启动离心泵之前 PA=PC,于是KZ-p=0g解：由习题 2

21、求得：q=57.61m3/hH=29.04mP=6.7kW(1)改送果汁改送果汁后,q,H 不变,P 随 p 加大而增加,即(2)降低泵的转速根据比例定律,降低转速后有关参数为4.用离心泵(转速为 2900r/min)将 20C 的清水以 60m3/h 的流量送至敞口容器.此流量下吸入管路的压头损失和动压头分别为 2.4m 和 0.61m.规定泵入口的真空度不能大于 64kPa.泵的必需气蚀余量为 3.5m.试(1)泵的安装高度(当地大气压为 100kPa);(2)假设改送 55c 的清水,泵的安装高度是否适宜.解：(1)泵的安装高度在水池液面和泵入口截面之间列柏努利方程式(水池液面为基准面)

22、,得64103(0.612.410009.81Hg3.51m(2)输送 55C 清水的允许安装高度55C 清水的密度为 985.7kg/m3,饱和蒸汽压为 15.733kPa3Pap(10015.733)10那么Hga(NPSH)Hf01=(3.50.5)2.4m=2.31mg,985.79.81原安装高度(3.51m)需下降 1.5m 才能不发生气蚀现象.5.对于习题 4 的输送任务,假设选用 3B57 型水泵,其操作条件下(55C 清水)的允许吸上真空度为 5.3m,试确定离心泵的安装高度.解：为保证泵的平安运行,应以 55c 热水为基准确定安装高度.泵的安装高度为 2.0m.6.用离心泵

23、将真空精储塔的釜残液送至常压贮罐.塔底液面上的绝对压力为 32.5kPa(即输送温度下溶液的饱和蒸汽压).：吸入管路压头损失为 1.46m,泵的必需气蚀余量为 2.3m,该泵安装在塔内液面下 3.0m 处.试核算该泵能否正常操作.解：泵的允许安装高度为式中papv0g那么 Ha(2.30.5)1.46m-4.26mg泵的允许安装位置应在塔内液面下 4.26m 处,实际安装高度为-3.0m,故泵在操作时可能发生气蚀现象.为平安运行,离心泵应再下移 1.5m.7.在指定转速下,用 20c 的清水对离心泵进行性能测试,测得 qH 数据如此题附表所示.习题 7 附表 1q(m3/min)00.10.2

24、H/m37.238.03734.531.828.5在实验范围内,摩擦系数变化不大,管路特性方程为He1280.0q2(qe的单位为 m3/min)试确定此管路中的 q、H 和 P81%习题 7 附图解：该题是用作图法确定泵的工验数据作出 qH 曲线.同时计算出对要求的 He,在同一坐标图中作 qeHe图所示.两曲线的交点 M 即泵在此管路中读得q=0.455m3/min,H=29.0m,那么作点.由题给实qH应流量下管路所M 曲线,如此题附qeHe的工作点,由图习题7附图 q/(m3/min)P也10229.00.4551000kW=2.66kW601020.81qe/(m3

25、/min)00.40.5He/m12.012.832.08.用离心泵将水库中的清水送至灌溉渠,两液面维持恒差 8.8m,管内流动在阻力平方区,管路特性方程为He8.85.2105q2(qe的单位为 m3/s)单台泵的特性方程为H284.2105q2q 的单位为 m3/s试求泵的流量、压头和有效功率.解：联立管路和泵的特性方程便可求泵的工作点对应的 q、H,进而计算 Peo管路特性方程 He8.85.2105q2泵的特性方程H284.2105q2联立两方程,得到 q=4.52X103m3/sH=19.42m贝UPeHqsg19.424.521031000

26、9.81W=861W9.对于习题 8 的管路系统,假设用两台规格相同的离心泵单台泵的特性方程与习题8 相同组合操作,试求可能的最大输水量.解：此题旨在比拟离心泵的并联和串联的效果.(1)两台泵的并联解得：q=5.54X103m3/s=19.95m3/h(2)两台泵的串联解得：q=5.89X103m3/s=21.2m3/h在此题条件下,两台泵串联可获得较大的输水量 21.2m3/h.10.采用一台三效单动往复泵,将敞口贮槽中密度为 1200kg/m3的粘稠液体送至表压为 1.62X103kPa 的高位槽中,两容器中液面维持恒差 8m,管路系统总压头损失为 4m.泵的活塞直径为 70mm,冲程为

27、225mm,往复次数为 200min-1,泵的容积效率和总效率分别为 0.96 和 0.91.试求泵的流量、压头和轴功率.解：(1)往复泵的实际流量q3vASn30.96-0.0720.225200m3/min=0.499m3/min4(2)泵的扬程1.62106HHe(84)m=149.6m12009.81(3)泵的轴功率P2149.60.499一叫亚松9kW102601020.9111 .用离心通风机将 50C、 101.3kPa 的空气通过内径为 600mm,总长 105m(包括所有局部阻力当量长度)的水平管道送至某表压为 1X104Pa 的设备中.空气的输送量为 1.5X104m3/h

28、.摩擦系数可取为 0.0175.现库房中有一台离心通风机,其性能为：转速 1450min-1,风量 1.6X104m3/h,风压为 1.2X104Pa.试核算该风机是否合用.解：将操作条件的风压和风量来换算库存风机是否合用.1104cCCCC101300Pa=106300Pa耍型kg/m3=1.147kg/m?10133032312.有一台单动往复压缩机,余隙系数为 0.06,气体的入口温度为 20C,绝热压缩指数为 1.4,要求压缩比为 9,试求(1)单级压缩的容积系数和气体的出口温度;(3)往复压缩机的压缩极限.解：(1)单级压缩的容积系数和气体的出口温度k1T2T1匹29391.4K=5

29、48.9KP1Pm1.205HTHTVsPv2dPm41104104831500010130036001.147m/s=14.40m/s冗cc20.641063000.01751050.6_214.402Pa=10483Pa21.2Pa=10967Pa1.147库存风机的风量 q=1.6X104m3/h,风压 HT=1.2X 故风机合用.104Pa 均大于管路要求(qe=1.5X104m3/h,HT=10967Pa),(2)两级压缩的容积系数和第一级气体的出口温度;(2)两级压缩的容积系数和第一级气体出口温度改为两级压缩后,每级的压缩比为那么重复上面计算,得到0.4T12933*K=401K(

30、3)压缩极限11.4即0.06比11Pi解得p255.71P1第三章非均相混合物别离及固体流态化1 .颗粒在流体中做自由沉降,试计算(1)密度为 2650kg/m3,直径为 0.04mm 的球形石英颗粒在 20C 空气中自由沉降,沉降速度是多少？(2)密度为 2650kg/m3,球形度0.6的非球形颗粒在 20C 清水中的沉降速度为 0.1m/s,颗粒的等体积当量直径是多少？(3)密度为 7900kg/m3,直径为 6.35mm 的钢球在密度为 1600kg/m3的液体中沉降 150mm 所需的时间为 7.32s,液体的黏度是多少？解：(1)假设为滞流沉降,那么：查附录 20c 空气1.205

31、kg/m3,1.81105Pas,所以,核算流型：所以,原假设正确,沉降速度为 0.1276m/so(2)采用摩擦数群法依0.6,Re1431.9,查出：Ret-ude0.3,所以：(3)假设为滞流沉降,得：其中uth.0.157.32ms0.02049ms将数据代入上式得：核算流型2 .用降尘室除去气体中的固体杂质,降尘室长 5m,宽 5m,高 4.2m,固体杂质为球形颗粒,密度为 3000kg/m3气体的处理量为 3000(标准)m3/h.试求理论上能完全除去的最小颗粒直径.(1)假设操作在 20c 下进行,操作条件下的气体密度为 1.06kg/m3,黏度为 1.80-5Pa?s(2)假设

32、操作在 420c 下进行,操作条件下的气体密度为 0.5kg/m3,黏度为 3.30-5Pa?s解：(1)在降尘室内能够完全沉降下来的最小颗粒的沉降速度为：设沉降在斯托克斯区,那么：核算流型：原设滞流区正确,能够完全除去的最小颗粒直径为 1.985M0-5m.(2)计算过程与(1)相同.完全能够沉降下来的最小颗粒的沉降速度为：设沉降在斯托克斯区,那么：核算流型：原设滞流区正确,能够完全除去的最小颗粒直径为 4.132W5mo3.对 2 题中的降尘室与含尘气体,在427c 下操作,假设需除去的最小颗粒粒径为 10 科均试确定降尘室内隔板的间距及层数.解：取隔板间距为 h,令那么hLut1u10W

33、 杜粒的沉降速度由1式计算 h53h-4.954103m0.244m0.1017层数nH17.2取 18 层h0.244核算颗粒沉降雷诺数：核算流体流型：4 .在双锥分级器内用水对方铅矿与石英两种粒子的混合物进行别离.操作温度下水的密度=996.9kg/m3,黏度=0.897310-3Pa?&固体颗粒为棱长 0.080.7mm 的正方体.：方铅矿密度s1=7500kg/m3,石英矿密度s2=2650kg/m3.假设粒子在上升水流中作自由沉降,试求1欲得纯方铅矿粒,水的上升流速至少应为多少？2所得纯方铅矿粒的尺寸范围.解：1水的上升流速为了得到纯方铅矿粒,应使全部石英粒子被溢流带出,因此

34、,水的上升流速应等于或略大于最大石英粒子的自由沉降速度.对于正方体颗粒,应先算出其当量直径和球形度.设 l 代表棱长,VP代表一个颗粒的体积.颗粒的当量直径为因此,颗粒的球形度,用摩擦数群法计算最大石英粒子的沉降速度,即s=0.806,由图 3-3 查得 Ret=70,贝 U所以水的上升流速应取为 0.07255m/s 或略大于此值.2纯方铅矿粒的尺寸范围所得到的纯方铅矿粒中尺寸最小者应是沉降速度恰好等于 0.07255m/s 的粒子.用摩擦数群法计算该粒子的当量直径：s=0.806,由图 3-3 查得 Ret=30,那么与此当量直径相对应的正方体棱长为所得纯方铅矿粒的棱长范围为 0.30.7

35、mm.5 .用标准型旋风别离器处理含尘气体,气体流量为 0.4m3/s、黏度为 3.610-5Pa?s 密度为 0.674kg/m3,气体中尘粒的密度为 2300kg/m3.假设别离器圆筒直径为 0.4m,1试估算其临界粒径、分割粒径及压力降.2现在工艺要求处理量加倍,假设维持压力降不变,旋风别离器尺寸需增大为多少？此时临界粒径是多少？3假设要维持原来的别离效果临界粒径,应采取什么举措？式中 B040,1m,hD/2Ne=5将有关数据代入,得分割粒径为压强降为(2)p,Ui不变解：临界直径d9BMesUi所以,处理量加倍后,假设维持压力降不变,旋风别离器尺寸需增大,同时临界粒径也会增大,别离效

36、率降低.(3)假设要维持原来的别离效果(临界粒径),可采用两台圆筒直径为 0.4m 的旋风别离器并联使用.6 .在实验室里用面积 0.1m2的滤叶对某悬浮液进行恒压过滤实验,操作压力差为 67kPa,测得过滤 5min后得滤液 1L,再过滤 5min 后,又得滤液 0.6L.试求,过滤常数K,Ve,并写出恒压过滤方程式.解：恒压过滤方程为：由实验数据知：15min,q1.2110min,q10.016m/m将上两组数据代入上式得：解得qe0.007m3/m2所以,恒压过滤方程为q20.014q8107(m3/m2,s)或V20.0014V8109(m3,s)7 .用 10 个框的板框过滤机恒压

37、过滤某悬浮液,滤框尺寸为 635mmX635mmX25mm.操作条件下过滤523.2常数为K210m/s,qe0.01m/m,滤饼与滤液体积之比为 v=0.06.试求滤框充满滤饼所需时间及所得滤液体积.解：恒压过滤方程为q22qqeKVc0.100833222V-m31.680m3,A0.6352210m28.0645m2v0.06代入恒压过滤方程得2317.2s39.52min8 .在 0.04m2的过滤面积上以 1X10-4m3/s 的速率进行恒速过滤试验,测得过滤 100s 时,过滤压力差为 3M04Pa；过滤 600s 时,过滤压力差为 9M04Pa.滤饼不可压缩.今欲用框内尺寸为 6

38、35mmX635mmX60mm 的板框过滤机处理同一料浆,所用滤布与试验时的相同.过滤开始时,以与试验相同的滤液流速进行恒速过滤,在过滤压强差到达6X104Pa 时改为恒压操作.每获得 1m3滤液所生成的滤饼体积为 0.02m3.试求框内充满滤饼所需的时间.解：第一阶段是恒速过滤,其过滤时间.与过滤压差之间的关系可表示为：板框过滤机所处理的悬浮液特性及所用滤布均与试验时相同,且过滤速度也一样,因此,上式中 a,b 值可根据实验测得的两组数据求出：3M04=100a+b9M04=600a+b解得 a=120,b=1.8M04即p1201.8104恒速阶段终了时的压力差 PR6104Pa,故恒速段

39、过滤时间为恒速阶段过滤速度与实验时相同根据方程 3-71,0.0010.10.01m3/m23143颗粒的比外表积 a(-)05(2.64810一04471)05m2m33.935106m2m35(1)25(10.4472)210 .板框压滤机过滤某种水悬浮液,框的长2.113X0.45W=918W或用式 4-10 计算 N,取 KI=71 那么P=KI/d3=71422.112X0.43W=850W2 .用例 4-1 附图中所示的搅拌槽来搅拌固体颗粒在 20C 水中的悬浮液.固相密度ps=1600kg/m3,体积分数 x 产 0.12.槽内径 D=3m,叶轮转速 n=1.5r/s.试求搅拌功

40、率 P.解：对于悬浮液,用平均密度口和黏度卬作为物料的物性参数,采用均相物系搅拌功率的方法进行计算.20C 水的物性参数为 4998.2kg/m3,月.005mPa?s阿=伊 xv+(1 二v)尸16000.12+(1-0.12)998.2kg/m3=1070kg/m30.120.12F=0.13643m=1m33UT5n=r/s=1.59r/sr/s：d d(1)全挡板条件下的搅拌功率由 Re 值查图 4-8 中的曲线 6,得 O=PN=5.0那么 P=G3d5=5.0880M.593X15=17.7103W=17.7kW(2)无挡板条件下的搅拌功率用式 4-12 计算 N,式中=1.9,&

41、amp;=1,卷=40那么 P=G3d5Fryn2dFr=n-d-=0.2577Re=d2n0.422.111060=8.52(层流区)由 Re=8.52 从图 4-8 中曲线 6 读得,09.用式 4-11 计算 P,即(湍流区)Re=d2n121.59880,=21200.66y=lgRe=ilg212040-0.0582P=1.9880X1.592X130.257700582kW=7.273x103kW=7.3kW4.在直径 D=1.8m 的“标准搅拌槽内搅拌假塑性流体.叶轮转速条件下液体的表观黏度可用下式计算,即国=K(kn严式中 K稠度指数,Pa?sm,对该流体,K=50.6Pa?s

42、m；k 一系数,量纲为一,本例取为 13;m 一流性指数,量纲为一,本例取 m=0.5;n 一叶轮转速,r/s.试求搅拌功率.解：a50.6(132)0.519.923Pa?sn=2r/s;液体密度(=1070kg/m3,操作Re=d2n一一2一一一0.6221070.=77.649.923试驯编 p槽径 D/mm叶轮直径 d/mm转速n备注r/min123200400800671352701360675340满意的搅拌效果由 Re 值从图 4-10 查彳导PN=3.5贝 UP=PNG3d5=3.5M07023X0.65W=2.33X103W=2.33kW5.拟设计一“标准构形的搅拌设备搅拌某

43、种均相混合液,槽内径为 2.4m,混合液密度尸 1260kg/m3,黏度尸 1.2Pa?s.为了取得最正确搅拌效果,进行三次几何相似系统中的放大试验.实验数据如本例附表 1 所示.试根据实验数据判断放大准那么,并计算生产设备的叶轮转速及搅拌功率.习题 5 附表 1 试验模型的结构参数与操作参数解：(1)判断放大基准根据试验数据计算各放大基准的相对值列于此题附表 2放大准那么1 号槽2 号槽3 号槽Re0cnd26.10510612.31072.48107P/V0cn3d21.129X10135.605X10122.865X1012Q/H0cd/n4.93X10-20.20.794UT0cnd9

44、11209112591800习题 5 附表 2 各放大基准的相对值从上表看出,应以保持叶端速度不变为放大基准.(2)生产设备的搅拌器转速及搅拌功率uT1=71ndi=4.771m/sUT2=4.771m/s 及UT3=4.807m/s1UTm= =-(4.7714.7714.807)m/s4.783m/s由 Re 值查图 4-8 中的曲线 6,得到=PN=4.5贝 UP=PNpn3d5=4.54260M.90330.85=12.8103W=12.8kW第五章传热过程根底1 .用平板法测定固体的导热系数,在平板一侧用电热器加热,另一侧用冷却器冷却,同时在板两侧用热电偶测量其外表温度,假设所测固体

45、的外表积为 0.02m2,厚度为 0.02m,实验测得电流表读数为 0.5A,伏特表读数为 100V,两侧外表温度分别为 200C 和 50C,试求该材料的导热系数.解：传热达稳态后电热器的加热速率应与固体的散热(导热)速率相等,即式中QIV0.5100W50W将上述数据代入,可得2 .某平壁燃烧炉由一层 400mm 厚的耐火砖和一层 200mm 厚的绝缘砖砌成,操作稳定后,测得炉的内表面温度为 1500C,外外表温度为 100C,试求导热的热通量及两砖间的界面温度.设两科接触良好,耐火醇的导热系数为10.80.0006t,绝缘科的导热系数为20.30.0003t,W/(mC).两式中的 t

46、可分别取为各层材料的平均温度.解：此为两层平壁的热传导问题,稳态导热时,通过各层平壁截面的传热速率相等,即Q1Q2Q(5-32)或Q益一 t2stH(5-32a)b1b2式中10.80.0006t0.80.00061500t1.250.0003t2代入鼠及得解之得那么QS1-1.5431500977Wm22021Wm2b10.43 .外径为 159mm 的钢管,其外依次包扎 A、 B 两层保温材料,A 层保温材料的厚度为 50mm,导热系数为 0.1W/(mC),B 层保温材料白厚度为 100mm,导热系数为 1.0W/(mC),设 A的内层温度和 B的外层温度分别为 170C和 40C,试求

47、每米管长的热损失；假设将两层材料互换并假设温度不变,每米管长的热损失又为多少？解：A、B 两层互换位置后,热损失为4.直径为57mm3.5mm 的钢管用 40mm 厚的软木包扎,其外又包扎 100mm 厚的保温灰作为绝热层.现测得钢管外壁面温度为120C,绝热层外外表温度为 10C.软木和保温灰的导热系数分别为 0.043W/(mC)和0.07W/(mC),试求每米管长的冷损失量.解：此为两层圆筒壁的热传导问题,那么5.在某管壳式换热器中用冷水冷却热空气.换热管为25mrtK2.5mm 的钢管,其导热系数为 45W/(m-)o冷却水在管程流动,其对流传热系数为 2600W/(m2),热空气在壳

48、程流动,其对流传热系数为52W/(m2-C)o试求基于管外外表积的总传热系数 K,以及各分热阻占总热阻的百分数.设污垢热阻可忽略.同理11PR_d_odmidi查得钢的导热系数 45Wm2Cb2.5b2.5mmd025mmdi2522.5mm20mm壳程对流传热热阻占总热阻的百分数为管程对流传热热阻占总热阻的百分数为管壁热阻占总热阻的百分数为6 .在一传热面积为 40m2的平板式换热器中,用水冷却某种溶液,两流体呈逆流流动.冷却水的流量为 30000kg/h,其温度由 22C 升高到 36C.溶液温度由 115C 降至 55Co 假设换热器清洗后,在冷、 热流体流量和进口温度不变的情况下,冷却

49、水的出口温度升至 40C,试估算换热器在清洗前壁面两侧的总污垢热阻.假设：(1)两种情况下,冷、热流体的物性可视为不变,水的平均比热容为 4.174kJ/(kg)；(2)两种情况下,分别相同；(3)忽略壁面热阻和热损失.解：求清洗前总传热系数 K求清洗后传热系数 K由热量衡算清洗前两侧的总传热热阻7 .在一传热面积为 25m2的单程管壳式换热器中,用水冷却某种有机溶液.冷却水的流量为 28000kg/h,其温度由 25C 升至 38C,平均比热容为 4.17kJ/(kgC).有机溶液的温度由 110C降至 65C,平均比热容为 1.72kJ/(kgC).两流体在换热器中呈逆流流动.设换热器的热

50、损失可忽略,试核算该换热器的总传热系数并计算该有机溶液的处理量.解：Cp,c4.17kJ/(kgC)求tmt72408 .在一单程管壳式换热器中,用水冷却某种有机溶剂.冷却水的流量为 10000kg/h,其初始温度为 30,平均比热容为4.174kJ/(kg).有机溶剂白流量为 14000kg/h,温度由 180c 降至 120C,平均比热容为 1.72kJ/(kgC).设换热器的总传热系数为 500W/(m2-C),试分别计算逆流和并流时换热器所需的传热面积,设换热器的热损失和污垢热阻可以忽略.解：QWcphT1T2140001.72180120kJh1.4448106kJh401.3kW冷

51、却水的出口温度为逆流时并流时9.在一单程管壳式换热器中,用冷水将常压下的纯苯蒸汽冷凝成饱和液体.苯蒸汽的体积流量为 1600m3/h,常压下苯的沸点为 80.1C,气化热为 394kJ/kg.冷却水的入口温度为 20C,流量为 35000kg/h,水的平均比热容为4.17kJ/(kg6).总传热系数为 450W/(m2：C).设换热器的热损失可忽略,试计算所需的传热面积.解：苯蒸气的密度为解出t231.6C求tm苯 80.180.1解：由Ko有机物水110 一38-6525水 31620t48.560.110 .在一单壳程、 双管程的管壳式换热器中,水在壳程内流动,进口温度为 30C,出口温度

52、为 65C.油在管程流动,进口温度为 120C.出口温度为 75C,试求其传热平均温度差.解：先求逆流时平均温度差油 12075水 65*30t5545计算 P 及 R查图 5-11(a)得11.某生产过程中需用冷却水将油从 105c 冷却至 70C.油的流量为 6000kg/h,水的初温为 22C,流量为 2000kg/ho 现有一传热面积为 10m2的套管式换热器,问在以下两种流动型式下,换热器能否满足要求：12)两流体呈逆流流动；13)两流体呈并流流动.设换热器的总传热系数在两种情况下相同,为 300W/(m2：C)；油的平均比热容为 1.9kJ/(kgC)；水的平均比热容为 4.17k

53、J/(kgC).热损失可忽略.解：此题采用 NTU 法计算14)逆流时查图得 0.6220.622Q1196105八T2TIQ105C67.2C70C 能满足要求W1cph3166.715)并流时查图得0.5265T2105-C73.1C70C 不能满足要求3166.712 .在一单程管壳式换热器中,管外热水被管内冷水所冷却.换热器的传热面积为 5m2,总传热系数为 1400W/(m2；c)；热水的初温为 100C,流量为 5000kg/h;冷水的初温为 20C,流量为 10000kg/ho 试计算热水和冷水的出口温度及传热量.设水的平均比热容为 4.18kJ/(kgC),热损失可忽略不计.解

54、：Whcph50004.18103WC5806WC3600查图得 0.5750.575传热量QCmin(T1t1)解出54c13.水以 1.5m/s 的流速在长为 3m、 直径为25mm2.5mm的管内由 20C 加热至 40C,试求水与管壁之间的对流传热系数.解：水的定性温度为由附录六查得 30C 时水的物性为尸 995.7kg/m3,尸 80.07X105Pas,F0.6176W/(mC),Pr=5.42Redu0.025995.73.73104(湍流)80.0710Re、Pr 及上值均在式 5-59a 的应用范围内,故可采用式 5-76a 近似计算di水被加热,取 n=0.4,于是得14

55、 .温度为 90C 的甲苯以 1500kg/h 的流量流过直径为57mm3.5mm,弯曲半径为 0.6m 的蛇管换热器而被冷却至 30C,试求甲苯对蛇管的对流传热系数.解：甲苯的定性温度为由附录查得 60C C 时甲苯的物性为尸 830kg/m3,Cp=1840J/(kgC),尸 0.4X03Pas,在 0.1205W/(mC),0.1205流体在弯管内流动时,由于受离心力的作用,增大了流体的湍动程度,使对流传热系数较直管内的大,此时可用下式计算对流传热系数,即15 .压力为 101.3kPa,温度为 20c 的空气以 60m3/h 的流量流过直径为 57mm3.5mm,长度为 3m 的套管换

56、热器管内而被加热至 80C,试求管壁对空气的对流传热系数.解：空气的定性温度为由附录五查得 50C 时空气的物性为p=1.093kg/m3,Cp=1005J/(kgC),尸 1.96105Pas,在 0.0283W/(mC),Pr=0.69860ms8.50ms36003140.05240.058.51.093“cl玄、23679.5(俪流)1.96105解出t243CPrPrCp18400.4103-6.11UbRe2di4diUs0.256ms-0.05240.050.256830、326539(湍流)0.4103式中弯管中的对流传热系数,W/(m2C);一直管中

57、的对流传热系数,di管内径,m;W/(m2C);R管子的弯曲半径,m.UbRedu16 .常压空气在装有圆缺形挡板的列管换热器壳程流过.管子尺寸为中央距为51mm,挡板距离为1.45m,换热器外壳内径为2.82.8m,空气流量为4104m3/h,平均温度为 140C,试求空气的对流传热系数.解：由附录五查得 140140C 时空气的物性为p=0.854kg/m3,Cp=1013J/(kgC),尸 2.37105Pas,在 0.0349W/(mC),Pr=0.694采用凯恩(Kern)法,即Nu0.36Re0.55Pr13w(5-63)0.36(du-)0.55Pr13()0.14dew传热当量

58、直径de可根据管子排列情况进行计算.管子为正方形排列,那么式中 t相邻两管的中央距,m；Do管外径,m.代入t和 do得式 5-63 及式 5-63a 中的流速 u 可根据流体流过管间最大截面积 A 计算,即式中 z 一两挡板间的距离,m；D 一换热器的外壳内径,m.代入 z、D、t 和 do得上述式中的w对气体可取为 1.0.17 .将长和宽均为 0.4m 的垂直平板置于常压的饱和水蒸气中,板面温度为 98C,试计算平板与蒸汽之间的传热速率及蒸汽冷凝速率.解：水的定性温度为由附录六查得 99C 时水的物性为尸 958.5kg/m3,Cp=4220J/(kgC),p=28.41105Pas,在

59、 0.683W/(mC),Pr=1.762由附录八查得 100C 时饱和蒸气的物性为r2258r2258kJ/kg,v0.597kg/m对于此类问题,由于流型未知,故需迭代求解.首先假定冷凝液膜为层流,由式 5-135 得核算冷凝液流型,由对流传热速率方程计算传热速率,即冷凝液的质量流率为单位长度润湿周边上的凝液质量流率为445.2102那么Re,693.318000.3103故假定冷凝液膜为层流是正确的.18.常压水蒸气在一25mm2.5mm,长为 3m,水平放置的钢管外冷凝.钢管外壁的温度为 96C,试计算水蒸气冷凝时的对流传热系数.假设此钢管改为垂直放置,其对流传热系数又为多少？由此说明

60、工业上的冷凝器应如何放置？38mm338mm3mm,正方形排列,(5-63a)解：由附录查得,常压水蒸气的温度为100C.定性温度tf10096C98C22由附录查得在 98C 下,水的物性为：960.78kg/m3;0.6822W/m2C;r2261.08kJ/kg;29.03105Pas水平放置垂直放置通过上述计算可知,工业上的冷凝器应水平放置.19.两平行的大平板,在空气中相距 10mm,一平板的黑度为 0.1,温度为 400K;另一平板的黑度为 0.05,温度为 300Ko 假设将第一板加涂层,使其黑度为对流传热可以忽略.解：第一板加涂层前567W/m2K40.196W/m2K4；10201于是第一板